淺析碳纖維復合材料超低溫環境力學性能研究

吳斌雙 朱爾隆 潘建龍 王博翰

(大連理工大學,遼寧大連 116024)

淺析碳纖維復合材料超低溫環境力學性能研究

吳斌雙 朱爾隆 潘建龍 王博翰

(大連理工大學,遼寧大連 116024)

碳纖維增強環氧樹脂復合材料作為在空天飛行器的結構、低溫燃料貯箱及輸送管等方面替代金屬的備選材料,已受到國內外研究人員的重視。由于復合材料需要長期在超低溫極端環境下服役,因此超低溫對于其性能的影響備受關注,研究長期低溫老化對復合材料性能的影響十分重要。同時,研發可重復使用的復合材料超低溫燃料貯箱,將有助于有效降低飛行器發射成本,對于航空航天事業的發展有巨大的推動作用。

碳纖維 復合材料低溫力學性能

1 碳纖維復合材料超低溫環境力學性能研究背景

如何降低空間飛行器在發射時的成本，使空間飛行器的發射效率提高，一直以來都是各國進行研究的關鍵領域之一。20世紀90年代中期，美國國家航空航天局(NASA)開始了對亞軌道可重復使用飛行器(RLV)的研發試驗。

針對這一新形勢，我國在“十五”計劃初期，即開展了可重復使用飛行器技術的跟蹤、探索和研究。為了避免在全球競爭中出現裝備跨代落后的不利局面，而加大了對可重復使用飛行器的研發力度。

由液氫(-253℃)、液氧(-183℃)、液氮(-196℃)、液氦(-269℃)及其蒸發氣體共同組成了主要的超低溫流體介質。其中，液態氫和液態氧是液體火箭發動機發射過程中，一種具備比推力大的燃料，并且不產生污染物質；液He是作為空間裝置、超導裝置中廣泛應用的低溫密封介質；液態氮具有惰性特質、價格低廉并且介于液氫和液氧之間的熱力學特點，常應用于低溫試驗和作為預冷介質[2]。

在以液態燃料作為飛行器動力系統燃料供應的設計中，液氧(LO2)燃貯箱及工作系統使用溫度為-183℃，液氫燃料貯箱及工作系統使用溫度為-253℃，液氫燃料貯箱及供給管系統和液氧燃貯箱及供給管系統工作于低溫環境。當飛行器返回時，可重復使用運載器貯箱及供給管要承受170℃的高溫考驗，燃料貯箱工作溫度范圍很大，因此在設計時必須綜合考慮在此溫度范圍內應用復合材料貯箱的可靠性[3]。

上世紀80至90年代，研發復合材料液氫貯箱的課題在美國國家航天飛機(NASP)計劃以及DCX計劃都涉及，并取得了一些成就。X-33計劃則直接計劃使用復合材料液氫貯箱，但由于在實驗中，熱應力引起微裂紋導致液氫滲漏以及其他技術方面問題，最終決定用鋁制貯箱將出問題的復合材料貯箱代替下來。相比其國外研究機構對飛行器貯箱材料方面的嘗試，國內對超低溫用樹脂基增強復合材料的研究還處于起步階段，出于保險考慮，貯箱一直采用金屬材料，在超低溫復合材料方面技術性的突破成為國內研究的重點課題。

2 國內外對碳纖維復合材料超低溫力學性能的研究現狀

目前，在工程中有著非常廣泛應用的樹脂基復合材料主要包括：連續纖維增強環氧、雙馬和聚酰亞胺復合材料。他們具有較高的比強度和比模量，能夠有效的抗疲勞、耐腐蝕，并且可設計性較強，便于大面積整體成型，并且，他們還具有特殊電磁性能等特點。先進樹脂基復合材料已經成為繼鋁合金、鈦合金和鋼之后的最重要航空結構材料之一。

先進樹脂基復合材料在飛行器材料應用上表現出色，目前已經在部分機型上實現減重效益，這是使用其它材料所不能比擬的。因此，先進樹脂基復合材料的用量比例已經成為航空結構先進性的重要標志之一。

2.1 超低溫復合材料用基體

據了解，應用在超低溫環境下的樹脂基體主要有：

(1)熱固性樹脂包括：環氧樹脂，氰酸酯樹脂，聚酰亞胺等；

(2)熱塑性樹脂包括：聚醚酰亞胺，聚醚醚酮，聚四氟乙烯，聚醚砜，聚苯硫醚，聚砜，液晶聚合物等。

配方的設計對于樹脂基體制備非常重要。對于環氧樹脂材料，經常會碰到脆性過高、容易開裂的問題。解決這一問題行之有效的方法是使環氧樹脂柔性化，或是使整個配方體系柔性化。而這也是我們在該試驗中在選取材料方面提前做好的準備。經過柔化的環氧樹脂脆性降低，不易開裂，在工程應用中表現更加出色。

可重復加工的特點是高性能熱塑性樹脂具備的特點之一，在低溫復合材料中的具有很大的潛在應用價值。比如說，碳纖維增強聚醚醚酮復合材料力學性能，雖然在超低溫破壞強度方面表現良好，但由于成型困難以及巨大的加工成本，限制了熱塑性基體在低溫領域下的應用。

在本次試驗中所應用到的便是改性后的環氧樹脂，改性后使其在常溫和低溫下均具備穩定的力學性能。

2.2 超低溫復合材料用增強材料

纖維增強復合材料是由增強纖維，如玻璃纖維、芳綸纖維、碳纖維等材料與基體經過模壓、纏繞或拉擠等工藝而形成的復合材料。

在一些低溫工程中，由于纖維增強復合材料具有如下特點：

(1)比模量大，比強度高；(2)材料具有可設計性；(3)抗腐蝕性和耐久性能良好；(4)熱膨脹系數與混凝土材料形似。根據他們特性及制備加工工藝方面的綜合考慮，應用最廣泛的增強纖維是碳纖維和玻璃纖維。

對于玻璃纖維，研究表明，低溫下纖維的拉伸強度和拉伸模量均有不同程度的增加，玻璃纖維Weibull分布尺度參數有很大的提升。玻璃纖維，E-glass從室溫到4K，它的楊氏模量提高15%，S-g lass從295K到4K其楊氏模量提高10%。

碳纖維增強樹脂基復合材料，由于它在航空航天軍事等領域應用較多，因而也成為科研工作者研究的熱點。試驗發現，將模高強碳纖維作為超低溫復合材料的增強材料，強度和模量與室溫時相比變化很小，是比較理想的超低溫增強材料。

2.3 樹脂基復合材料制造工藝

依據不同類型的復合材料、不同形狀的構件以及對構件質量和性能的不同要求，先進樹脂基復合材料可采用不同的成型工藝。目前航空航天領域先進樹脂基復合材料主要成型工藝包括：熱壓罐成型工藝、RTM成形工藝、纏繞成型工藝、拉擠成型工藝、熱壓成型工藝、自動鋪放工藝等。

通過對上世紀六十年代至九十年代不同組織及個人對各類常用纖維復合材料常、低溫力學性能測試的結果做出總結與比較。R.P.Reed、M.Golda、J.B.Schutz等人發現：低溫狀態下，芳族聚酰胺纖維復合材料的低溫拉伸強度與常溫時比較變化較小，而其他各類纖維復合材料的低溫拉伸強度均比常溫狀態時有所提高。

[1]王嶸,郝春功,楊嬌萍,張雄軍,付紹云,王繼輝.超低溫復合材料的研究進展.化工新型材料,2007.

[2]陳積偉.《工程材料》機械工程出版社.

[3]周翼.《高分子材料基礎》國防工業出版社.